CN103247406A - 制冷器系统及具有该制冷器系统的超导磁体装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制冷器系统和一种具有该制冷器系统的超导磁体装置，该制冷器系统包括：具有冷却热屏蔽单元的冷却级的制冷器以及热接触所述制冷器的冷却级并且具有高热容的热惯性构件。当电流引线的温度因当提供到超导线圈的电流斜升或斜降时产生的热而升高时，所述制冷器系统通过利用热惯性构件来降低电流引线的升温速率。

Description

制冷器系统及具有该制冷器系统的超导磁体装置

本申请要求于在2012年2月6日提交到韩国知识产权局的第10-2012-0011797号韩国专利申请的先前申请日的优先权和权益，该韩国专利申请的全部公开内容通过引用被包含于此。

技术领域

本发明涉及一种制冷器(cryocooler)系统及一种具有该制冷器系统的超导磁体装置。

背景技术

在现有技术中，磁共振成像(MRI)设备使用超导磁体。由于超导磁体在诸如4.2K的超低温下维持超导状态，因此需要一种用于维持超低温的冷却系统。

在现有技术中的冷却系统中传统上采用的两级制冷器包括：第一级单元，在例如从40K到50K的范围的温度下操作；第二级单元，在例如4K的温度下操作。第二级单元通过直接和间接地热接触超导主体(例如，超导线圈)来冷却超导主体，第一级单元冷却热屏蔽单元，热屏蔽单元减少室内温度和超导主体之间的热传递。

在现有技术的MRI设备的冷却系统中，当超导磁体斜升或斜降以产生磁场或关闭产生的磁场时，因电流引线的电阻而产生热。因此，冷却系统需要提供预防因电流引线产生的热。在现有技术中，已经使用了浴冷系统来冷却超导磁体。在浴冷系统中，通过将电流引线放置在从液氦供应器蒸发的氦蒸气流中来冷却当超导磁体斜升或斜降时产生的热。然而，浴冷系统使用过量的氦。在诸如热虹吸方法或无致冷剂的方法的冷却系统的情况下，氦蒸气的冷却没有帮助并且当超导磁体斜升或斜降时产生的热由于冷却器的冷却能力有限而会导致冷却不充分。

发明内容

本发明提供一种制冷器系统以及一种具有该制冷器系统的超导磁体装置，该制冷器系统具有当在电流斜升或斜降的同时产生热时降低电流引线的升温速率的结构。

根据本发明的一方面，提供了一种制冷器系统，该制冷器系统包括：热屏蔽单元，热屏蔽超导主体；制冷器，具有冷却所述热屏蔽单元的冷却级；热惯性构件，热接触所述制冷器的冷却级并且具有高热容。

所述热惯性构件可以由从由W、Pb、Cu和Al组成的组中选择的至少一种金属形成或者由从由水、冰、烃、蜡和固态氮组成的组中选择的非金属形成。诸如W、Pb、Cu和Al的金属或者在室温下为固态的非金属可以热接触制冷器的第一级单元，诸如水、冰、烃、蜡和固态氮的非金属可以热接触制冷器的第一级单元并且被储存在储存单元中。

所述热惯性构件可以设置成围绕所述制冷器的冷却级的外表面或者外周中的至少一部分。

所述热惯性构件可以设置得靠近于热屏蔽单元的接触所述制冷器的冷却级的区域。

所述热惯性构件可以通过在热屏蔽单元接触所述制冷器的冷却级的区域处增加热屏蔽单元的厚度来形成。

所述制冷器可以是具有冷却超导主体的超导主体冷却级单元的两级冷却器。此外，制冷器可以另外地包括用于冷却超导主体的超导主体冷却器。

所述制冷器可以通过使用热虹吸方法冷却超导主体。例如，所述制冷器系统还可以包括：密封容器，超导主体冷却级单元插入到密封容器中，并且密封容器包括冷却剂；热交换管，连接到所述密封容器，从而冷却剂流入和流出所述密封容器，并且热交换管经由热对流通过热接触超导主体来冷却超导主体。

所述制冷器可以通过使用无致冷剂的方法冷却超导主体。例如，所述制冷器的超导主体冷却级单元可以直接地热连接到超导主体或者通过具有高导热率的导热构件热连接到超导主体。

所述制冷器系统还可以包括热接触制冷器的冷却级并且向超导主体供应电流的电流引线。当电流引线的温度由于流过电流引线的电流产生的热而升高时，热惯性构件可以通过热接触电流引线而降低电流引线的升温速率。电流引线可以包括围绕热屏蔽单元设置的第一电流引线和设置在热屏蔽单元内的第二电流引线，热屏蔽单元将超导主体和第二电流引线真空密封在其中。

根据本发明的另一方面，提供了一种超导磁体装置，该超导磁体装置包括：超导线圈；热屏蔽单元，屏蔽超导线圈；制冷器，具有用于冷却热屏蔽单元的冷却级；电流引线，热接触所述制冷器的冷却级并且将电流供应到超导线圈；热惯性构件，热接触制冷器的冷却级并且具有高的热容。

制冷器系统和超导磁体装置可以降低由于在电流斜升或斜降至超导线圈时产生的热导致的温度升高。因此，制冷器系统可以在当电流斜升或斜降至超导线圈时产生热的同时降低制冷器的冷却级的升温速率，而不使用在利用热虹吸方法或无致冷剂的方法的冷却系统中难以使用的氦蒸气，因此，保护制冷器系统以免电流引线的过热。

附图说明

通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其他特点和优点将变得更加清楚，在附图中：

图1是示出根据本发明的示例性实施例的制冷器系统的示意图；

图2是示出根据本发明的示例性实施例的超导磁体装置的示意图；

图3是示出根据本发明的另一示例性实施例的超导磁体装置的示意图；

图4是示出根据本发明的又一示例性实施例的超导磁体装置的示意图；

图5是示出根据本发明的其它示例性实施例的超导磁体装置的示意图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图更加全面地描述本发明的优选实施例，本发明的示例性实施例在附图中示出。在附图中，为了清晰起见，夸大了层和区域的厚度。在附图中，相同的标号指示相同的元件。在下面的描述中，会省略已知的相关功能和构造的详细描述，以避免不必要地模糊本发明的主题。然而，本发明可以以许多不同方式实施，并且不应该被解释为局限于在此阐述的示例性实施例。此外，在此描述的考虑到本发明的功能而限定的术语可以根据用户和操作者的意图和实践而不同地应用。因此，术语应该以全部说明书的公开内容为基础来理解。在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的原理和特征可以应用在改变的和许多的实施例中。

此外，虽然附图表述了发明的示例性实施例，但是附图未必是按比例绘出的，并且为了更加清楚地示出并解释本发明，可以夸大或省略某些特征。

图1是示出根据本发明的示例性实施例的制冷器系统100的示意图。

参照图1，制冷器系统100包括制冷器110、热惯性构件120和热屏蔽单元130。热屏蔽单元130围绕超导主体并且屏蔽来自周围的热。热屏蔽单元130可以由例如铝形成，并且防止来自外部的热传递到超导主体。

制冷器110包括冷却级111，冷却级111通过热接触热屏蔽单元130来冷却热屏蔽单元130。制冷器110可以是具有第一级单元和例如如图2中所示的第二级单元212的两级冷却器，第一级单元冷却热屏蔽单元130，第二级单元212冷却图2中示出的超导主体。两级冷却器的第一级单元和第二级单元212在不同的温度下操作。例如，第一级单元可以在从40K到50K的范围的温度下操作，第二级单元212可以在4K的温度下操作。在图1中示出的示例性实施例中，冷却级111可以是两级冷却器的第一级单元。制冷器110的冷却级111，即，两级冷却器的第一级单元，可以通过热接触热屏蔽单元130来冷却热屏蔽单元130，第二冷却级单元212通过直接和/或间接热接触超导主体来冷却超导主体。制冷器110可以是三级或更多级的冷却器，冷却级111可以是热接触热屏蔽单元130的级中的一级。另外，制冷器110可以仅冷却热屏蔽单元130，可以另外地设置例如在图5中所示的用于冷却超导主体的超导主体冷却器520。制冷器110可以是在现有技术中公知的冷却器，诸如吉福特-麦克马洪(Gifford-McMahon，GM)冷却器或者脉冲管(PulseTube)冷却器。

热惯性构件120可以由高热容材料(HHCM)形成，并且热连接到制冷器110的冷却级111。热惯性构件120可以是另外附接到冷却级111的构件，并且可以是位于相对靠近冷却级111的现有组成元件。用于形成热惯性构件120的HHCM可以由从由W、Pb、Cu和Al组成的组中选择的金属形成或者由从由水、冰、烃、蜡和固态氮组成的组中选择的非金属形成。用于形成热惯性构件120的材料的选择可以根据技术性能、成本、溶解度和可加工性而变化。热惯性构件120降低制冷器110的冷却级111以及热接触冷却级111的热屏蔽单元130的快速升温。

当根据图1的示例性实施例的制冷器系统100应用于超导磁体装置时，制冷器系统100还可以包括电流引线140，电流引线140使电流斜升或斜降至作为超导主体的超导线圈。电流引线140电连接到超导线圈，从而从热屏蔽单元130的外部穿过热屏蔽单元130。电流引线140的一部分设置为热接触制冷器110的冷却级111和热惯性构件120。在电流斜升或斜降至超导线圈的同时，会因电流引线140的电阻而产生热。因此，制冷器110的冷却级111可以冷却电流引线140的热端。另外，热惯性构件120执行防止电流引线140由于热而在温度上快速升高的功能。

接下来，将描述根据本发明的示例性实施例的制冷器系统100的操作。

在正常操作中，电流未在电流引线140中流动，并且制冷器110的冷却级111、热惯性构件120、热屏蔽单元130和电流引线140处于热平衡状态。即，在正常操作中，热屏蔽单元130将每小时的屏蔽热Q_sh的热负荷传递到制冷器110的冷却级111，电流引线140将每小时的电流引线热Q_cl的热负荷传递到制冷器110的冷却级111。这时候，传递到制冷器110的冷却级111的热满足下面的等式1，以与制冷器110的冷却能力Q_cc建立热平衡。

Q_cc＝Q_sh+Q_cl    (1)

此外，当制冷器110的冷却级111的温度为T1，热惯性构件120的温度为T2，热屏蔽单元130的温度为T3，电流引线140的温度(其可以是热接触制冷器110的冷却级111的电流引线140的温度)为T4时，在正常操作中，热惯性构件120和制冷器110的冷却级111可以具有相等的温度，因此，在热惯性构件120和制冷器110的冷却级111之间基本上没有热传递。即，在正常操作中，满足等式2和等式3。

T3＝T1    (2)

Q_ti＝0    (3)

其中，Q_ti是传递到制冷器110的冷却级111的热或者从制冷器110的冷却级111传递来的热。

电流引线140的有电流流动的一部分产生热。从电流引线140的所述一部分产生的热传递到制冷器110的冷却级111。

当电流斜升或斜降至超导线圈时，电流在电流引线140中流动。即使位于热屏蔽单元130中的电流引线140的一部分由超导主体(其可以是高温超导主体)形成，电流引线140在热屏蔽单元130外部的部分以及接触热屏蔽单元130的部分仍具有电阻。因此，当电流斜升或斜降至超导线圈时，因电流引线140的电阻产生热。热以每单位小时从电流引线140传递到制冷器110的ΔQ而增加。即，当供应电流时，制冷器系统100是处于如下面的等式4限定的状态。

Q_cc＜Q_sh+Q_cl+ΔQ    (4)

如等式4所示，传递到制冷器110的冷却级111的热大于制冷器110的冷却容量。因此，制冷器110的冷却级111的温度升高。然而，传递到制冷器110的冷却级111的一部分热传递到热惯性构件120，因此，制冷器110的冷却级111的升温速率通过热惯性构件120降低。即，当将电流供应到超导线圈时，制冷器110的冷却级111的升温速率满足下面的等式5。

$\frac{{\mathrm{dT}}_1}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\ΔQ}}{M_{\mathrm{ti}}\×C_{\mathrm{ti}}}---\left(5\right)$

其中，M_ti表示热惯性构件120的质量，C_ti表示热惯性构件120的比热容。等式5的右侧示出，由于热惯性构件120的热容足够大，因此忽略制冷器110的冷却级111的热容的近似值。

等式5示出了：热惯性构件120的热容越大，制冷器110的冷却级111的升温速率降低。因此，制冷器110的冷却级111的升温速率可以通过适当地选择热惯性构件120的材料和尺寸来减小，从而在电流引线140没有过度升温的情况下，电流斜升或斜降至超导线圈。

图2是示出根据本发明的示例性实施例的超导磁体装置200的示意图。

参照图2，根据示例性实施例的超导磁体装置200包括：超导线圈250，超导线圈250是超导主体；热屏蔽单元230，将超导线圈250与热热屏蔽；制冷器系统，冷却超导线圈250；电流引线240，使电流斜升或斜降至超导线圈250。制冷器系统包括制冷器210和热惯性构件220。热屏蔽单元230可以是在真空状态下屏蔽超导线圈250的真空容器。制冷器210、热惯性构件220和电流引线240可以通过壳体260密封。壳体260可以屏蔽由制冷器210冷却的热屏蔽单元230免受室温或者超导磁体装置200所位于的设备中的其他环境温度的影响。壳体260还可以是真空容器。

超导线圈250可以由低温超导主体或者高温超导主体形成。当将电流例如从电流引线240供应到超导线圈250时，超导线圈250变成超导磁体。

制冷器210可以是包括第一级单元211和第二级单元212的两级制冷器。制冷器210的第一级单元211通过热接触热屏蔽单元230来冷却热屏蔽单元230。制冷器210通过使用本领域中已知的热虹吸方法来冷却超导线圈250。作为示例，制冷器210的第二级单元212设置在密封容器215的内部。密封容器215连接到热交换管216使得冷却剂214流入和流出。热交换管216设置为围绕超导线圈250的至少一部分。冷却剂214可以是氦、氖或氮，并且可以根据冷却温度来选择。

热惯性构件220可以由HHCM形成，另外物理地附接到制冷器210的第一级单元211，并且热连接到制冷器210的第一级单元211。例如，热惯性构件220可以设置为在制冷器210的第一级单元211的冷却热屏蔽单元230的区域上围绕第一级单元211的周界或者外表面的至少一部分。热惯性构件220可以是由从由W、Pb、Cu和Al组成的组中选择的金属或者由从由水、冰、烃、蜡和固态氮组成的组中选择的非金属而形成的储存单元或者容器。热惯性构件220可以减小制冷器210的第一级单元211的快速升温。

电流引线240可以包括设置在壳体260和热屏蔽单元230之间的第一电流引线241和位于热屏蔽单元230内的电连接到超导线圈250的第二电流引线242。电流引线240的第一电流引线241的至少一部分设置成热接触热惯性构件220和制冷器210的第一级单元211。第一电流引线241可以由例如具有高导电率的金属(诸如铜或黄铜)形成。第二电流引线242可以由例如具有高导电率的金属(诸如铜或黄铜)形成或者由高温度超导主体形成。在第一电流引线241的情况下，即使使用具有高导电率的材料，第一电流引线241仍具有电阻。因此，当电流流过第一电流引线241时，在第一电流引线241中产生热。在第二电流引线242的情况下，如果第二电流引线242由超导主体形成，则可以忽略热。然而，当第二电流引线242由铜或黄铜形成时，会由于其电阻产生热。

接下来，描述根据示例性实施例的超导磁体装置200的操作。

在正常操作中，由制冷器210的第一级单元211冷却的冷却剂214利用通过自然热对流或者直接接触的热传递来冷却超导线圈250。因此，超导线圈250仍处于超导状态。在电流在超导线圈250中流动的持久模式下，超导线圈250变成超导磁体。由通过冷却超导线圈250而获得的热而加热的冷却剂214通过热对流而流到密封容器215中并且通过制冷器210的第二级单元212冷却。

制冷器210的第一级单元211通过冷却热屏蔽单元230而热阻挡外侧和内侧。这时候，由于电流没有径流电流引线240，因此电流引线240未产生热，并且制冷器210的第一级单元211和外围构件(例如，热惯性构件220、热屏蔽单元230和电流引线240)处于热平衡状态。

当电流斜升或斜降至超导线圈250时，电流流过电流引线240并且因电流引线240的电阻而产生热。在如根据图2的示例性实施例的制冷器系统的热虹吸方法中，冷却超导线圈250的冷却剂经过密封的热交换管216移动。因此，在浴冷方法中使用的蒸气冷却对于冷却电流引线240所产生的热是没有用的。因此，根据图2的示例性实施例的超导磁体装置200在电流斜升或斜降的同时通过使用热惯性构件220来降低制冷器210的第一级单元211的升温速率。因此，可以通过本发明减少由于在电流斜升或斜降时产生的热导致的已知热问题，诸如猝灭(quenching)。

图3是示出根据本发明的另一示例性实施例的超导磁体装置300的示意图。

参照图3，根据本示例性实施例的超导磁体装置300包括制冷器系统，该制冷器系统包括制冷器210、热惯性构件320、热屏蔽单元330、电流引线240、超导线圈250和壳体260。

除了热惯性构件320和热屏蔽单元330形成为一体外，超导磁体装置300与参照图2描述的超导磁体装置200基本上相同。即，根据图3的示例性实施例的热惯性构件320通过将热屏蔽单元330的与热屏蔽单元330热接触制冷器210的第一级单元211的区域靠近的厚度增加T而形成，从而靠近接触区域的热屏蔽单元330的厚度相对厚。材料的热容与对应于材料物理属性的材料的比热以及材料的尺寸成比例。因此，相应部分的热容可通过将热屏蔽单元330的与热屏蔽单元330热接触制冷器210的第一级单元211的区域靠近的厚度增加T来增大。在这种情况下，用于形成热屏蔽单元330的材料可以具有相对高的比热。

图4是示出根据本发明的又一示例性实施例的超导磁体装置400的示意图。

参照图4，根据本示例性实施例的超导磁体装置400包括制冷器系统，该制冷器系统包括制冷器410、热惯性构件220、热屏蔽单元230、电流引线240、超导线圈250和壳体260。

除了制冷器410是无致冷剂的冷却器外，超导磁体装置400与参照图2描述的超导磁体装置200基本上相同。即，图4中的示例性实施例的制冷器410的第二级单元412设置成通过具有高热导率的热传递构件415而直接热接触超导线圈250。在一些情况下，制冷器410的第二级单元412可以在没有热传递构件415的情况下直接热接触超导线圈250。超导磁体装置400与图3中的示例性实施例基本上相同之处在于：制冷器410的第一级单元411冷却热屏蔽单元230并且热接触热惯性构件220。因此，即使超导线圈250通过无致冷剂的方法冷却，热惯性构件220的功能仍与上面描述的功能相同。因此，根据本示例性实施例的超导磁体装置400也在电流斜升或斜降时通过使用热惯性构件220来降低制冷器410的第一级单元411的升温速率。因此，可以减少由于在电流斜升或斜降时产生的热导致的诸如猝灭的已知热问题。

在上述实施例中，描述了使用热虹吸方法或者无致冷剂的方法的制冷器系统。然而，根据本发明的冷却系统不限于此。例如，在浴冷系统中，热惯性构件可以与制冷器的第一级单元热连接。

图5是示出根据本发明的其它示例性实施例的超导磁体装置500的示意图。

参照图5，超导磁体装置500包括制冷器系统，该制冷器系统包括热屏蔽单元冷却器510、热惯性构件220、超导主体冷却器520、热屏蔽单元230、电流引线240、超导线圈250和壳体260。

除了热屏蔽单元冷却器510和超导主体冷却器520彼此分开外，超导磁体装置500与参照图2描述的超导磁体装置200基本上相同。即，在图5中的示例性实施例中，热屏蔽单元冷却器510冷却热屏蔽单元230，超导主体冷却器520在结构上与热屏蔽单元冷却器510分开并且冷却超导线圈250。热屏蔽单元冷却器510的冷却级511热接触热惯性构件220和热屏蔽单元230，并且可以对应于如在前面的示例性实施例中所描述的两级冷却器的第一级单元。超导主体冷却器520的超导主体冷却器级单元521可以对应于两级冷却器的第二级单元。作为超导主体冷却器520的冷却方法，可以采用如参照图2和图4描述的热虹吸方法或者无致冷剂的方法，还可以采用浴冷方法。

超导磁体装置500与在前面的示例性实施例基本上相同之处在于：热屏蔽单元冷却器510的冷却级511冷却热屏蔽单元230并且热接触热惯性构件220，热惯性构件220的功能也与上面所描述的功能相同。因此，根据图5中的示例性实施例的超导磁体装置500也在电流斜升或斜降时通过使用热惯性构件220来降低热屏蔽单元冷却器510的冷却级511的升温速率。因此，可以减少由于在电流斜升或斜降时产生的热导致的诸如猝灭的已知热问题。

根据本发明示例性实施例的超导磁体装置200、300、400和500可以是磁共振成像(MRI)设备或者用于磁悬浮列车的超导磁体装置。例如，如果超导磁体装置200、300、400和500是MRI设备，则超导磁体装置200、300、400和500还可以包括梯度线圈和/或射频(RF)线圈。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出并描述了根据本发明的制冷器系统和超导磁体装置，但是本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此进行形式和细节上的各种改变。

Claims (15)

1.一种制冷器系统，包括：

热屏蔽单元，热屏蔽超导主体；

制冷器，具有冷却所述热屏蔽单元的冷却级；以及

热惯性构件，热接触所述制冷器的冷却级并且具有相对高的热容。

2.如权利要求1所述的制冷器系统，其中，所述热惯性构件由从由W、Pb、Cu和Al组成的组中选择的至少一种金属形成或者由从由水、冰、烃、蜡和固态氮组成的组中选择的非金属形成。

3.如权利要求1所述的制冷器系统，其中，所述热惯性构件设置成围绕所述制冷器的冷却级的外表面的至少一部分。

4.如权利要求1所述的制冷器系统，其中，所述热惯性构件设置得相对靠近于热屏蔽单元的与所述制冷器的冷却级接触的区域。

5.如权利要求1所述的制冷器系统，其中，所述热惯性构件在热屏蔽单元的在热屏蔽单元接触所述制冷器的冷却级的区域处具有相对厚的厚度。

6.如权利要求1所述的制冷器系统，其中，所述制冷器是具有冷却超导主体的超导主体冷却级单元的两级冷却器。

7.如权利要求6所述的制冷器系统，其中，所述制冷器通过使用热虹吸方法冷却超导主体。

8.如权利要求7所述的制冷器系统，所述制冷器系统还包括：

密封容器，超导主体冷却级单元位于密封容器中，并且密封容器包括冷却剂；以及

热交换管，连接到所述密封容器，从而冷却剂流入和流出所述密封容器，热交换管经由热对流通过热接触超导主体来冷却超导主体。

9.如权利要求6所述的制冷器系统，其中，所述制冷器通过使用无致冷剂的方法来冷却超导主体。

10.如权利要求9所述的制冷器系统，其中，所述制冷器的超导主体冷却级单元直接地热连接到超导主体或者通过具有相对高导热率的导热构件热连接到超导主体。

11.如权利要求1所述的制冷器系统，所述制冷器系统还包括冷却超导主体的超导主体冷却器。

12.一种超导磁体装置，包括：

超导线圈；

如权利要求1至权利要求11中的任一项权利要求所述的制冷器系统，所述制冷器系统的热屏蔽单元热屏蔽导电线圈；以及

电流引线，热接触所述制冷器系统的冷却器的冷却级并且将电流供应到超导线圈。

13.如权利要求12所述的超导磁体装置，其中，当由于流过电流引线的电流产生的热导致电流引线的温度升高时，所述制冷器系统的热惯性构件通过热接触所述电流引线来降低电流引线的升温速率。

14.如权利要求12所述的超导磁体装置，其中，所述电流引线包括设置在热屏蔽单元外部的第一电流引线和设置在热屏蔽单元内部的第二电流引线，热屏蔽单元将超导主体和第二电流引线真空密封在其中。

15.如权利要求12所述的超导磁体装置，其中，所述超导磁体装置是磁共振成像设备或者用于磁悬浮列车的超导磁体装置。

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